CaSino: DLR forscht mit bei nachhaltigen Akku-Alternativen

„CaSino“ nennt sich das vom Bund mit drei Mio. Euro geförderte Projekt. Ziel ist es, das Potenzial von Calcium-Schwefel-Akkus als nachhaltige Option zu Lithium-Ionen-Batterien auszuloten.

Alle eingebundenen Institutionen und Unternehmen arbeiten gemeinsam auf das Ziel hin, die Leistungsfähigkeit der nachhaltigen Energiespeichertechnologie auf Basis von Calcium und Schwefel in einer industriekompatiblen Batteriezelle für den Einsatz als stationären Speicher zu demonstrieren. (Foto: DLR)
Alle eingebundenen Institutionen und Unternehmen arbeiten gemeinsam auf das Ziel hin, die Leistungsfähigkeit der nachhaltigen Energiespeichertechnologie auf Basis von Calcium und Schwefel in einer industriekompatiblen Batteriezelle für den Einsatz als stationären Speicher zu demonstrieren. (Foto: DLR)
Johannes Reichel
von Martina Weyh

Im September 2022 ist der Startschuss für das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 3 Mio. Euro geförderte Verbundprojekt „CaSino“ gefallen –  das vom Institut für Technische Thermodynamik, Elektrochemische Energietechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart koordinierte Vorhaben untersucht das Potential der sogenannten Calcium-Schwefel (Ca-S) Batterie als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Zum Projektkonsortium gehören fünf Forschungseinrichtungen, zwei Industrieunternehmen und ein Industriebeirat. Alle eingebundenen Institutionen und Unternehmen arbeiten gemeinsam auf das Ziel hin:

„die Leistungsfähigkeit dieser nachhaltigen Energiespeichertechnologie auf Basis von Calcium und Schwefel in einer industriekompatiblen Batteriezelle für den Einsatz als stationären Speicher zu demonstrieren.“

Calcium oder Lithium-Ionen – der schwierige Weg zu mehr Nachhaltigkeit

Im Vergleich zu den von der Industrie derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batterien biete die Ca-S Batterie eine Reihe von Vorteilen, stelle die Forschenden aber auch vor Herausforderungen, heißt es in der DLR-Mitteilung.

Die Hürden seien hoch, denn Lithium repräsentiere in vielerlei Hinsicht das perfekte Element für eine elektrochemische Zelle: Es vereine eine hohe Stromspeicherkapazität und Zellspannung mit schneller Ionenwanderung. Dies ermögliche kompakte Batterien und eine schnelle Be- und Entladung.

Nachteilig sei jedoch die erhöhte Brandgefahr, da sich beim wiederholten Aufladen Dendriten ausbilden können, die im schlimmsten Fall zu einem internen Kurzschluss führen. Für die Suche nach nachhaltigen Alternativen spricht:

  • Die Lithium-Vorkommen auf der Erde sind begrenzt
  • Lithium ist nicht auf allen Kontinenten verfügbar
  • der Abbau ist umstritten und das Recycling höchst aufwendig

Calcium – ein Multivalenzmetall wie auch Aluminium, Magnesium und Zink – sei im Vergleich 400-mal häufiger und daher kostengünstig, sowie weltweit und gleichverteilt verfügbar. Es besitze wie Lithium eine hohe Speicherkapazität und Zellspannung und sei zudem sicherer in Bezug auf Kurzschlüsse, denn Calcium im Betrieb bilde keine typischen Dendriten aus.

Die größte Herausforderung bei der Verwendung von Calcium sei dessen Reaktivität und Bildung von Oberflächenschichten, sei es bei Kontakt mit Luft oder Feuchtigkeit – oder auch mit dem verwendeten Elektrolyten in der Batterie. Die oxidierten Oberflächen blockierten im weiteren Verlauf die Ionendiffusion und verhinderten so die effiziente Be- und Entladung. Im Fokus der Forscher steht deshalb die Entwicklung eines kompatiblen Elektrolyten.

Zudem würden bei der Verwendung einer Schwefel-Kathode lösliche Polysulfide generiert, die die Ca-Anode ebenfalls blockieren können – ein weiteres Problem, das gelöst werden muss.

Im Rahmen des „CaSino“-Projekts sollen durch innovative Materialentwicklung wesentliche Fortschritte in Bezug auf Zyklenstabilität und Energiedichte von Calcium-Schwefel Batterien erreicht werden. Begleitet werden diese Schritte unter zu Hilfenahme von experimentellen Untersuchungen, fortschrittlichen Analysemethoden und umfangreichen Modellierungsarbeiten.

Alle eingebundenen Institutionen und Unternehmen arbeiten gemeinsam auf das Ziel hin, die Leistungsfähigkeit der nachhaltigen Energiespeichertechnologie auf Basis von Calcium und Schwefel in einer industriekompatiblen Batteriezelle für den Einsatz als stationären Speicher zu demonstrieren.

 

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